[论文解读] Observations of Cygnus X-1 during the two spectral states with the Indian X-ray Astronomy Experiment (IXAE)

A. R. Rao, P. C. Agrawal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 1997

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 7

一句话总结

本研究利用印度X射线天文实验（IXAE）上的定向比例计数器，对天鹅座X-1在软谱态和硬谱态期间的X射线时间特性进行了分析。结果确认了RXTE/PCA所观测到的软态功率谱密度（PDS）形状，并揭示了在光谱转变前的硬态中存在更平坦的低频PDS，同时发现了一个与光谱态无关的额外低频成分，此外还观测到与状态相关的喷发特征，其指数衰减时间常数为0.4秒。

ABSTRACT

We present the time variability characteristics of Cygnus X-1 in its two spectral states. The observations were carried out using the Pointed Proportional Counters (PPC) on-board the Indian X-ray Astronomy Experiment (IXAE). The details of the instrument characteristics, the observation strategy, and the background modeling methods are described. In the soft state of Cyg X-1, we confirm the general trend of the Power Density Spectrum (PDS) obtained using the Proportional Counter Array (PCA) on-board the RXTE satellite. The hard state of the source just prior to the spectral transition was not observed by the PCA and we present the PDS obtained in this state. We find that the low frequency end of the PDS is flatter than that observed during the spectral transition. Additionally, we find that there is one more component in the low frequency end of the PDS, which is independent of the spectral state of the source. The time variability is also examined by taking the statistics of the occurrence of shots and it is found that the shot duration and shot energy follow an exponential distribution, with time constants significantly different in the two spectral states. In the soft state of the source a shot with a very large strength has been identified and it has exponential rise and decay phases with time constants of 0.4 s. We examine these results in the light of the current models for accretion onto black holes.

研究动机与目标

• 利用高时间分辨率X射线数据，研究天鹅座X-1在软谱态和硬谱态下的时间变异性。
• 表征两种谱态下的功率谱密度（PDS），特别是RXTE/PCA未观测到的光谱转变前的硬态中的PDS。
• 研究是否存在并探究与谱态无关的低频变异性成分的性质。
• 分析X射线强度‘喷发’的统计特性——包括其持续时间和能量分布——在两种谱态下的差异。
• 在黑洞系统吸积盘与喷流模型的背景下，解释观测到的变异性特征。

提出的方法

• 利用搭载于印度X射线天文实验（IXAE）上的定向比例计数器（PPC）获取数据，提供高时间分辨率的X射线光 light curves。
• 从光 light curves 计算功率谱密度（PDS），以分析两种谱态下频率相关的变异性。
• 应用背景建模以分离源信号，确保PDS测量的准确性。
• 分析X射线‘喷发’的发生统计，将其持续时间和能量拟合为指数分布，以提取时间常数。
• 使用谱域和时域分解技术，检查PDS的低频端是否存在与谱态无关的成分。
• 将结果与现有的RXTE/PCA数据及黑洞吸积的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1在软谱态与硬谱态下的功率谱密度（PDS）有何不同？
• RQ2 天鹅座X-1在硬谱态下的低频变异性，特别是光谱转变前的特征是什么？
• RQ3 天鹅座X-1中是否存在一个与谱态无关的持久低频变异性成分？
• RQ4 X射线强度‘喷发’的统计特性——如持续时间与能量——在两种谱态下如何变化？
• RQ5 观测到的喷发特征，包括软态中0.4秒的衰减时间，对黑洞系统吸积物理有何启示？

主要发现

• 天鹅座X-1在硬谱态下的PDS低频端比光谱转变期间观测到的更为平坦。
• 在PDS中检测到一个与源谱态无关的额外低频变异性成分。
• 在软谱态中，识别出一个具有指数上升与衰减的高幅度X射线喷发，其衰减时间常数为0.4秒。
• 两种谱态下喷发的持续时间与能量均服从指数分布，且两态间的时间常数存在显著差异。
• 软谱态下的PDS形状与RXTE/PCA观测结果一致，验证了IXAE数据质量和方法的可靠性。
• 与谱态无关的低频成分的存在表明，存在一种不依赖于谱态转变的基本变异性机制。